百家爭鳴！AM技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應用大爆發(fā)

導讀：隨著增材制造技術(shù)所提供的靈活性、輕量化和低成本效益被不斷地認可，該技術(shù)在整個航空航天領(lǐng)域的應用也在逐漸擴展開來�，F(xiàn)實當中，越來越多的制造場景在某些情況下會需要用到3D打印技術(shù)。這是一種采用金屬粉末或復合材料逐層構(gòu)建來制造物體的技術(shù)，在較小的零件生產(chǎn)上與鑄件相比更具競爭力。隨著技術(shù)的成熟，包括材料和設備的成熟，制造商也將越來越多地將其應用于制造大型部件和結(jié)構(gòu)中。

通用電氣（GE）航空的增材制造負責人EricGatlin接受采訪時曾表示："我們對增材技術(shù)的信心以及技術(shù)本身的水準都在提高，我們公司現(xiàn)在的發(fā)展軌跡是，只要能使產(chǎn)品在重量和設計方面有所區(qū)別，就會使用增材技術(shù)。"

對GE航空公司來說，他們在增材制造部件方面已經(jīng)很有經(jīng)驗了，例如它與法國航空發(fā)動機公司賽峰集團的合資企業(yè)——CFM International合作制造出Leap渦輪風扇的燃料噴嘴。同樣，在每臺GE9X發(fā)動機上，增材制造現(xiàn)在提供不少于292個零件。Gatlin說相比于過去的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，新的AM模式帶來了產(chǎn)能上的更大提升。此外，GE公司新的Catalyst通用航空和公務機發(fā)動機也將采用3D打印技術(shù)進行批量生產(chǎn)。

通用電氣航空團隊與GE集團在2016年10月成立了通用電氣增材制造部門，并展開了緊密合作。GE增材制造公司工程和技術(shù)總經(jīng)理Chris Schuppe說："這種方法正在繼續(xù)降低成本，提高設計和制造過程的穩(wěn)健性，AM越來越成為GE航空工程師常提及詞匯的一部分，我們發(fā)現(xiàn)如今不再需要爭取做增材制造，因為它已然成為流程中公認的一部分。"

在某種程度上，增材制造設計部件的更大靈活性似乎已經(jīng)贏得了工程師的青睞。據(jù)Schuppe說，這些工藝為他們打開了一個非常大的窗口，使設計者能夠有更多的創(chuàng)造力，不再因鑄件結(jié)構(gòu)限制而感到困惑。

隨著人們對改變傳統(tǒng)模具鑄造方法的信心不斷增強，通用電氣向其供應基地的公司提出挑戰(zhàn)，詢問自己現(xiàn)在可以通過增材技術(shù)制造哪些項目。Gatlin說："我們已經(jīng)對自己和我們的合作伙伴提出了挑戰(zhàn)，因為我們可以實現(xiàn)成本節(jié)約。由于制造成本的減少，我們有了一些額外的資金。這也給了我們時間來制定一個積極的計劃，挑戰(zhàn)自己在不到一年的時間里使更多的傳統(tǒng)加工模式切換到增材制造模式。"

目前，通用電氣公司在增材制造產(chǎn)品的生產(chǎn)上已經(jīng)具備了巨大的技術(shù)優(yōu)勢，這當中大部分的貢獻來自他們在俄亥俄州辛辛那提的開發(fā)中心。此外，通用電氣在美國的阿拉巴馬州奧本和在意大利都建設有工廠，這給他們帶來了巨大的業(yè)務連續(xù)性，并使它們在世界各地的生產(chǎn)過程有了更大的共性。

△羅爾斯-羅伊斯公司使用增材制造技術(shù)來制造部件，如Pearl10X發(fā)動機的燃燒器瓦片。(圖片：勞斯萊斯)

對于GE的競爭對手航空發(fā)動機公司——勞斯萊斯來說，2015年是他們向增材制造過渡的一個重要里程碑，當時它使用AM工藝為Trent XWB-97渦輪風扇制造大型鈦制氣膜。據(jù)稱，這家總部位于英國的公司首次為空客A350寬體客機提供發(fā)動機時，其直徑達1.5米的結(jié)構(gòu)是在商用客機上飛行的最大承重結(jié)構(gòu)。

羅爾斯-羅伊斯（Rolls-Royce）公司的制造總監(jiān)尼爾-曼托（Neil Mantle）表示他們很早就知道增材制造所擁有的巨大潛力，并意識到可以利用它賦予的幾何自由度來制造其他方式無法做到的東西。

Rolls-Royce集團目前在這一領(lǐng)域的最先進成就是Pearl 10X發(fā)動機，它為達索航空公司最新的獵鷹10X公務機開發(fā)。曼托說，它將越來越多地把這種突破性技術(shù)應用于其大型客機的動力裝置。

Pearl10X采用了作為羅爾斯-羅伊斯公司Advance 2技術(shù)計劃一部分而開發(fā)的低排放燃燒器。這套燃燒器由3D打印的葉片組成，機器上有四臺激光器，可以同時熔化成形四組扇片。

Pearl10X的高級副總裁PhilippZeller解釋說：“對于以前的發(fā)動機燃燒器，工程師們會通過鑄造然后在上面鉆孔來制作通氣扇。"這意味著我們在扇片的幾何形狀方面受到很大的限制，但現(xiàn)在我們可以完全自由地定義我們想用它們做什么。"

三維打印的使用意味著可以在不浪費材料的情況下制造更復雜的部件。就Pearl 10X燃燒器而言，該工藝通過減少對冷卻空氣的使用帶來了額外的環(huán)境效益。新裝置包括冷卻孔，可以優(yōu)化冷卻空氣的流動，并通過改進的空氣混合過程減少一氧化二氮的排放。新設計還減少了燃燒器中的溫度熱點數(shù)量，提高了發(fā)動機高壓渦輪的性能。

在英格蘭北部的羅瑟漢姆，勞斯萊斯公司已經(jīng)投資了一個專門的增材制造設施。那里的團隊正在努力將AM技術(shù)工業(yè)化，以便將其應用于集團更廣泛的生產(chǎn)過程。總的來說，該公司認為其向新工藝的轉(zhuǎn)換可以將設計和制造部件的時間減少75%之多。

除了Pearl 10X之外，羅爾斯-羅伊斯現(xiàn)在還打算將增材制造用于新型UltraFan發(fā)動機的部件，包括渦輪軸承轂。這些增材制造的部件將比TrentXWB-97上的部件還要大。

Stratasys是一家領(lǐng)先的3D打印機器和增材制造廠商，它也看到航空航天OEMs越來越多地接受增材制造工藝作為主流供應線的一部分。美國公司航空航天業(yè)務副總裁ScottSevcik說：“它已經(jīng)從過去被視為一種實驗性技術(shù)的東西轉(zhuǎn)變?yōu)橄窨湛瓦@樣的公司日常采購的一部分，現(xiàn)在他們的平臺上都在使用這種技術(shù)，包括A350�！�

Stratasys公司的打印機使用專門開發(fā)的聚合物樹脂，如Ultem和Antero，它們可以大大減輕重量，以取代鋁。這些材料越來越多地被用于生產(chǎn)飛機機艙內(nèi)飾的部件。最近，該公司推出了新的大桶聚合技術(shù)，更適合于更高分辨率的3D打印，用于更小的部件。

據(jù)Sevcik說，整個航空航天供應鏈上的公司都在采用增材制造，主要發(fā)動機和系統(tǒng)制造商賽峰集團就是其中之一。此外還有英國的Senior Aerospace BWT這樣的專家，他們正在用最近交付的一對StratasysFortus 450mc打印機制造空氣管道系統(tǒng)。

AM領(lǐng)域的最新趨勢之一是在聚合物中添加碳纖維以增加強度。在某些情況下，材料開發(fā)商正在添加阻燃劑和增材制造等元素，使其更容易制造不適合傳統(tǒng)擠壓工藝的小部件，如連接器。

在Sevcik看來，增材制造也有可能推動售后市場的成本效率。有了分布在世界各地的合格的3D打印承包商，可替換的零件可以更迅速地生產(chǎn)出來，并分配給飛機運營商和他們在各自地區(qū)的維修組織。

在過去的五六年里，Stratasys公司表示他們的航空航天業(yè)務已經(jīng)從向低層的3D打印機器和材料銷售轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚬�應鏈頂端的航空航天原始設備制造商銷售。除此之外，越來越多的航空航天公司在理解材料的特性方面越來越聰明，現(xiàn)在大部分業(yè)務都是與航空航天公司一起做的，這幾乎是現(xiàn)在行業(yè)的要求。"